(57)【要約】【課題】小径電極による放電加工穿孔法に於いて、孔の断面輪郭が円形、楕円形、または長円形で、ラッパ状にテーパがついた孔の加工方法を提供する。【解決手段】加工物を載せるＣ軸テーブルとＸＹ軸ステージ及びＺ軸電極ヘッドが同期ＮＣ制御される放電加工において、Ｚ軸電極ヘッドには軸方向送り装置と、軸方向を一平面において傾斜させる機構とを設け、Ｃ軸テーブルに取り付ける加工物の孔明け指定点とＣ軸テーブル中心との距離をＲとし、Ｚ軸方向送り装置に往復シャトル運動させながら、Ｃ軸の旋回θとＸＹステージの下記式「数２」、「数３」、または「数４」によって、計算される同期運動の合成により、輪郭断面がラッパ状となる円形状のテーパ孔を放電加工する。式「数２」  Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθ式「数３」  Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋β式「数４」  Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋qi【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物を載せるＣ軸テーブルとＸＹ軸ステージ、およびＺ軸電極ヘッドが、同期ＮＣ制御される放電加工において、
前記Ｚ軸電極ヘッドには電極の軸方向送り装置と、該軸方向を一平面内において傾斜させる傾斜機構を設け、
前記Ｃ軸テーブルに取り付ける加工物の孔明け指定点ＰとＣ軸テーブル中心Ｏとの距離を（Ｒ）とし、
また、Ｚ軸と孔の方向が一致するような姿勢で加工物を取り付け、
前記電極軸方向送り装置に往復シャトル運動をさせながら、Ｃ軸の旋回（θ）と、ＸＹ軸ステージの下記式「数２」、または式「数３」、または式「数４」によって計算される同期運動の合成により、輪郭断面がラッパ状となる円形、楕円形、または長円形などの孔の加工をすることを特徴とするテーパ孔の放電加工方法。
「数２」
Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi
「数３」
Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋β、  ただし、βは定数。
「数４」
Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋qi、  ただし、qiは孔の断面形状を決定する変数。
【請求項２】
Ｚ軸に平行な電極軸方向のイニシャルホール加工の後に、傾斜角加工と横サーボ輪郭加工を順次に行う請求項１に記載のテーパ孔の放電加工方法。
【請求項３】
加工物を載せるＣ軸テーブルと、ＸＹ軸ステージ、およびＺ軸電極ヘッドが、同期ＮＣ制御される放電加工装置において、
前記Ｚ軸電極ヘッドには、電極の軸方向サーボ送り運動と往復シャトル運動および位置決め運動を行う電極送り装置と、該軸方向を一平面内において傾斜させる傾斜機構が設けられ、加工物の穴あけ指定点ＰをＣ軸テーブル中心Ｏから任意の距離（Ｒ）の位置に取り付け、
前記電極送り装置に往復シャトル運動をさせながら、Ｃ軸の旋回（θ）と、ＸＹ軸ステージの下記式「数２」、または式「数３」または式「数４」によって計算される同期運動の合成により、輪郭断面がラッパ状となる円形、楕円形、または長円形などの孔の加工をするテーパ孔の放電加工装置。
「数２」
Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi
「数３」
Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋β、  ただし、βは定数。
「数４」
Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋qi、  ただし、ｑｉは孔の断面形状を決定する変数。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＮＣ放電加工の分野で、細孔の加工、微細形状のＮＣ放電加工に関するものであり、詳しくは非回転で小径の片持ち支持電極を用いて、被加工物に丸孔または異形輪郭断面の孔を穿孔し、更に電極を傾斜させて加工し輪郭断面をテーパ状に開拡する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射ノズルは高温に耐える金属が使用され、ノズル孔は小さいから、切削加工よりも放電加工、レーザ加工などが適している。
ある種の内燃機関の燃料噴射ノズルでは、円筒形、楕円、長円などの、一様断面の直孔だけではなく、図６（ａ）、（ｂ）のノズル体断面のように、燃料導入部を噴出部より拡大したテーパ形状が求められることがある。ノズル体は筒状であり内部空間は狭いから外部から内部に拡がるテーパの孔加工は外部から細い電極でしか実施できない。
【０００３】
例えば、（特許文献１）には、内燃機関の噴射ノズルの噴射通路の断面輪郭形状が非円であり、かつ、輪郭断面がラッパ状に拡大している例が開示され、その放電加工法については、電極側面から磁界を加えローレンツ力による電極撓みを利用して円錐形を加工する方法を説明している。
【０００４】
近年の内燃機関の燃料消費率改善の要求に対し、噴射ノズルの改良には、設計形状の自由さと寸法精度が重要な役割を果たすから、多様な要求に応えるため、本発明人は、ＮＣ制御による非回転パイプ電極による細孔加工法（特許文献２）、ワイヤ電極線によるＮＣ穿孔放電加工法（特許文献３）、また、数値制御単一刃具輪郭加工方法（特許文献４）などを提案した。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２６３１１４号公報
【特許文献２】特開２００７−２６０８７８号公報
【特許文献３】特開２００８−８３４号公報
【特許文献４】特開２００７−１８４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料噴射ノズルは、小径の孔であるが、流体抵抗を低減し、また、スプレイ効果を得るために、通路長を短縮し、断面を円形または非円形とし、またラッパ状に断面積を変化させるなど種種の工夫が施される。この場合においても、噴射口断面は小径を保っていることが要求されるから、通常の切削加工では困難であり、放電加工がその役割を担う。
【０００７】
放電加工において小径の電極により細孔を加工するには電極を回転させる必要があったが、電極回転には装置的困難があるため、加工物の旋回と電極のＸＹ平面内の円弧補間運動の合成により加工物と電極を相対運動させる方式が本発明人により提案された。具体的には電極側はＸＹのＮＣ制御軸を備えておりＸＹ平面内の同時二軸補間の運動を行なう。加工物をＣ軸テーブル上に取り付け定速旋回させ、併せて加工物の定点Ｐ上で電極を同時二軸補間運動により追従させると、電極と加工点は相対運動をすることになる。このように小径電極に対して加工点を相対回転させながら放電加工を実施することが本発明の基本原理である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、加工物を載せるＣ軸テーブルとＸＹ軸ステージおよびＺ軸電極ヘッドが同期ＮＣ制御される放電加工において、前記Ｚ軸電極ヘッドには電極の軸方向送り装置と、該軸方向を一平面内において傾斜させる傾斜機構を設け、加工物を前記Ｃ軸テーブルに取り付けるときに加工物に指定される孔あけ指定点ＰがＣ軸テーブル中心Ｏから任意の距離（Ｒ）の位置にあり、またＺ軸と孔の方向が一致するような姿勢で取り付け、前記電極送り装置に往復シャトル運動をさせながらＣ軸の旋回（θ）と、ＸＹ軸ステージの式「数２」、または式「数３」、または式「数４」によって計算される同期運動の合成により、輪郭断面がラッパ状となる円形、楕円形、または長円形などのテーパ孔の放電加工を実現する。
「数２」
Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθ
「数３」
Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋β、  ただし、βは定数。
「数４」
Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋qi、  ただし、ｑｉは孔の断面形状を決定する変数。
【０００９】
本発明はではテーパ状の孔を加工するのであるが、そのためには電極側を傾斜させればよいことは自明である。しかしながらＺ軸運動により穿孔することはできないので前記電極送り装置に往復シャトル運動させることが必要になる。
また、本発明は前段落〔０００８〕に記載の放電加工方法を実施するに当たり、イニシャルホール加工と傾斜角加工と横サーボ輪郭加工を順次に実行する装置を提供して目的を達成する。
【００１０】
この発明は、電極と被加工体を相対的に回転させる放電加工方法として、本発明人が前述特許文献２，３、及び４で提案したものに、テーパ機能と電極のシャトル運動機能を付加したものであり、テーパ加工に伴う放電加工の課題を解決するものである。
【００１１】
念のため、本発明が提案するテーパ孔加工と他の方式と比較すると、次の通りである。電極と被加工体が相対的に回転するには、ワークターニング（旋盤方式）と、ツールターニング（ボール盤方式）の二形式がある。前者は砲身、シリンダ等の長い孔や高精度の加工に適するが、位置決めに不便であるから、多数孔の加工には不向きであり、後者は反対になる。細孔放電加工では主としてツールターニングが用いられるが、通電・通液に難点がある。本発明の方式は、上記二形式のいづれにも属さず、また、いづれの難点をも解決している。
【００１２】
本発明の基礎となり前段に記載した「電極と被加工体を相対的に回転させて放電加工する方法」とは、ＸＹテーブル上に設置されるＣ軸テーブル上の加工物の指定点Ｐに電極中心Ｏを合わせ、Ｃ軸を旋回させるとともに、Ｘ、Ｙ軸に式「数２」の式に従う円弧補間運動をなさしめてＣ軸旋回に追従せしめれば、電極はＸＹ機械座標系については静止しているが、被加工体座標のＰ点上を回転することになる。このとき電極軸を傾斜させれば、テーパ状の孔が加工される。
【００１３】
そして、放電加工電圧を印加して軸方向サーボ送りを加えると、電極径の円形断面の孔を旋回穿孔する。また穿孔される円の半径をβだけ拡大せんとするときは、式「数３」のように、Yi=Rcosθi＋βとすればよい。さらに穿孔する孔の断面に円、長円のごとき非円形を求めるには、図５のように求める図形内の定点からの動径（ｑｉ）をもとめ、式「数４」のように、  Yi=Rcosθi＋qi  とすればよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の方式により電極とワークを相対回転させる効果は、電極の撓みを防止し、電極回転機構を不要とし、更に通電・通液の手段を簡略化するから、装置の小型化が図れる。しかも、一般のワークターニング方式の欠点であった回転中心と加工点との位置決めは、ＮＣ機能により簡単化されているから、利点が多い。
ただし、電極の消耗は無視できないから、電極の軸方向シャトル運動は電極消耗を補うために必要である。
【００１５】
ラッパ状に拡がるテ−パ−孔の放電加工は、図４（ａ）、または図４（ｂ）の原理図で説明される回転テーブルの旋回と、ＮＣ円弧補間運動との合成による電極と加工点の相対運動と、電極軸の傾斜機能によって可能になるが、解決すべき課題は次の点である。
【００１６】
図７(ａ)のように、テーパ部の加工において、電極送り方向（Ｕ）に加工を進め、同時に電極側面方向（Ｖ）にも加工を進めることは放電加工の制御方式として不適である。何故ならば、短絡またはアーク検出をした場合に、退避方向が不明であるから乱調し、正常な加工状態に戻ることが出来ないからである。
【００１７】
したがって、選び得る方式は電極送り方向（Ｕ）か、電極側面方向（Ｖ）かのいずれかである。本明細書では前者を軸サーボ、後者を横サーボと呼ぶ。
【００１８】
課題としているラッパ状の加工の場合、横サーボは二方向である。一つは周回方向であり横サーボ輪郭加工となり、他の一つは径方向に傾斜角を切り込む加工である。
【００１９】
最適な加工順序は、まず、孔の中心にテーパのない一様断面の直立孔を加工する。次に、電極を傾斜させつつ角度（α0）まで加工する。その後に、角度（α0）を保ったまま、周回方向に横サーボ加工する。
【００２０】
所望の角度が（α0）であるときは、電極消耗と電極剛性による取り残し分を除去するために、何度かの周回加工を行って終了する。
【００２１】
角度（α0）は、図７（ｂ）のように、除去部分の最大寸法（孔の口径差の１／２）と、電極１０の直径（ｄ）の関係と、電極消耗の関係から配慮されるべきである。孔の口径差の１／２が、電極１０の直径（ｄ）よりも大きいときは、（α0）の値を分割し、    
数式（１）  （α0）＝（α1）+（α2）+（α3）+・・・・・（αｎ）
として加工ステップをｎ回繰り返すことになる。
【００２２】
加工ステップを繰り返さなければならない理由は、単に前記口径差だけではなく、片持ち支持の細い電極を、使用しなければならない制限から、電極剛性が低く、また最良の選択をなしたとしても、電極消耗を無視し得ないからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の装置は次のように構成される。図１は全体の説明図であり、加工物１を載せるＣ軸テーブル２、Ｘ軸ステージ３、Ｙ軸ステージ４、Ｚ軸ヘッド５が同期ＮＣ制御されるＮＣ放電加工装置であり、電極ヘッド６は、Ｚ軸ヘッド５の正面にボス８を支点として、傾斜自由に取り付けられている。傾斜機構８ａは、モータ１４により電極ヘッド６をＺ軸に対して傾斜させる。
電極ヘッド６には、電極の軸方向送り装置７が設けられ、モータ１５とローラセット１６の作用により、電極１０の軸方向移動、または、放電加工送り、または軸方向のシャトル運動をなさしめる。
【００２４】
前段落番号〔００２３〕に記載の装置は、イニシャルホール加工において、次のように動作する。
イニシャルホール加工とは、必要とする形状の円または楕円または長円などの、一様断面輪郭の直孔の加工を、加工物１の指定位置と方向に細孔放電加工することであり、電極１０を加工物１に挿入して横サーボを行う準備である。
【００２５】
図６(ａ)、（ｂ）で示すように、加工物１は任意の位置に取り付けられているが、孔の指定方向（噴射方向）が、Ｚ軸方向になるように、冶具１１（図１）などを用いて姿勢を定めることが必要である。孔の位置とＣ軸中心Ｏとの距離Ｒは、ＮＣ操作で容易に測定される。
電極先端を指定点に位置決めし、図４(ａ)、（ｂ）のように、Ｃ軸中心Ｏとの距離Ｒを、ＮＣ装置に定数として与え、前記式「数２」、または式「数３」、または、式「数４」の式で用いる。
【００２６】
イニシャルホール加工においては、図１および図２のように、電極１０の軸方向がＺ軸方向に一致している。放電加工を実施するには、Ｚ軸運動を利用することと、電極送り装置７の機能を利用して、放電加工サーボ送りとすることが可能であり、選択は自由である。
【００２７】
Ｃ軸テーブル２に旋回運動を与え、ＸＹ軸ステージ３と４の運動を、式「数２」によりＮＣ制御することに併せて放電加工サーボ送りを加えれば、円形断面のイニシャルホールが貫通する。
【００２８】
イニシャルホール加工につづいて、輪郭形状を仕上げるには、電極を貫通させたまま輪郭加工を行なう。電極軸方向のシャトル運動を加えても良い。輪郭形状が、（電極半径＋加工ギャップ）の半径の円形であるときは、Ｃ軸テーブル２の旋回に同期してＸＹステージ３と４に下記式「数２」の運動が指令される。
式「数２」  Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi
【００２９】
輪郭形状の半径が、（電極半径＋β＋加工ギャップ）の円形であるときは、Ｃ軸テーブル２の旋回に同期してＸＹステージ３と４に下記式「数３」の運動が指令される。
式「数３」  Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋β、  ただし、βは定数。
【００３０】
輪郭形状が楕円、長円のような非円形であるときは、図５(ａ)、（ｂ）のように、輪郭図形内部に定点Ａを定め、極座標の原点として輪郭線までの動径ｑとθの関係を全周にわたって求め、θｉとｑｉの関係を、下記式「数４」に与える。
式「数４」  Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋qi、  ただし、ｑｉは、孔の断面形状を決定する変数。
これにより、Ｃ軸テーブル２の旋回に同期して、ＸＹステージ３と４に式「数４」の運動が指令され、求める図形の内径が加工される。ただし、加工ギャップ分が拡大される。
【００３１】
イニシャルホールが加工されると、次に傾斜角加工に移る。傾斜角加工とは、イニシャルホールに電極１０を挿入して傾斜をつける放電加工である。Ｚ軸電極ヘッド５を移動して、図１の傾斜支点ボス８の中心の高さ（Ｓ）を加工物の上面（Ｌ）に合わせ、電極をイニシャルホールに挿入し、電極送り装置７に往復シャトル運動をさせて放電加工電圧を印加するとともに、傾斜機構８ａの動作を傾斜角（α）まで徐々に加えて放電加工をおこなう。傾斜角は微小であるから、ワイヤ放電加工と同様に加工が進行する。
【００３２】
傾斜角加工が終了してから、横サーボ輪郭加工に移る。横サーボ輪郭加工は、開孔出口が入口部よりも拡大している円形、楕円形、長円形などの孔の放電加工を、前記電極送り装置７により、電極１０に往復シャトル運動を与えながら、Ｃ軸テーブル２を旋回させるとともにＸＹ軸ステージ３と４に式「数２」、または、式「数３」、または、式「数４」の同期運動を加えて行う横サーボ放電加工である。これにより、イニシャルホールの側面が、ラッパ状に拡大される。前記式「数１」のように、α1、α2、α3、・・・（αn）と傾斜角を加えつつ傾斜角加工と、横サーボ輪郭加工を繰り返して最終形状を得る。
【００３３】
傾斜支点ボス８の中心、即ち、電極傾斜支点の高さ（Ｓ）は、加工物１の上面（Ｌ）に一致させているから、傾斜角（α）が微小な場合には無視できるほどであるが、電極の傾斜により図８のように輪郭が拡大する。その値（δ）は電極半径を（ｒ）とすると、式「数５」である。
式「数５」  δ＝ｒ｛（１／cosα）−１｝
【００３４】
δを補正するには、式「数３」、または、式「数４」をそれぞれ、式「数６」、または、式「数７」に修正する。
式「数６」  Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋β−δ、  ただし、β＞δ。
式「数７」  Ci=θi、Xi=Rsinθi、Yi=Rcosθi＋qi−δ、  ただし、qi ＞δ。
【００３５】
放電加工電極は、剛性が大きく、電極消耗の少ない材質のものが選ばれる。たとえば、タングステン、超硬合金である。
【実施例】
【００３６】
図１の機械本体は、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｃ軸の４軸ＮＣ工作機械であり、図示されていないＮＣ制御装置、放電加工電源、および電極サーボ制御回路によって構成されている。全体として小型に構成され、卓上使用に適する。冶具１１に保持される加工物１は、筒状のノズル体を図示しているが、平板の場合もあり、Ｃ軸テーブル２の軸心からＲの距離に加工指定点をおく。ベース１３上に、コラム１２とＸＹステージ３，４を配置している。
【００３７】
コラム１２の図示しないＺ軸ガイドに沿って、Ｚ軸ヘッド５が、電極ヘッド６をＺ軸運動させる。電極ヘッド６は、ボス８を支点として、一平面内に傾斜角±４５で傾斜することができる。傾斜機構８ａは、モータ１４で作動桿８ｂを直線移動させて電極ヘッド６を傾斜させ、図示しない角スケールとセンサによりＮＣ制御される。
【００３８】
電極送り装置７は、電極ヘッド６の上面に備えられ、振れ止めガイド９と協働して、電極１０を軸方向に運動させる。電極送り装置７には、モータ１５により駆動されるローラセット１６が設けられ、常時電極１０に圧接しており、ＮＣ制御装置の指令によるモータ１５の回転に従い、電極の軸方向サーボ送り運動と往復シャトル運動および位置決め運動を行う。
【００３９】
放電加工作用は、Ｃ軸テーブル２に取り付けられる加工物１と、電極１０との間隙に、放電加工電源からの放電電圧パルスを印加して、生ずる短間隙放電によるものであり、電極サーボ制御回路が、極間間隙の電圧を検出し、極間間隙を調節するように電極１０にサーボ送り運動をさせる。
【００４０】
前記傾斜機構の設計は、他にも種々の様式があり、この実施例に限られるものでない。また、前記電極送り装置の設計も、この実施例に限られず、前述特許文献２のパイプ電極方式、および、特許文献３のワイヤ電極方式など、種々の方式がある。振れ止めガイド９については、簡単なガイドブッシュを例示したが、電極１０の加工先端になるべく近付けるため、パイプガイドにすることもある。
【００４１】
特に記述しないが、電極１０と加工物１への通電、または、両者間の絶縁方法、或は、両者の間隙に対する加工液の供給に関しては、一般の放電加工技術と共通である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
ＮＣ制御により、正確なテーパ付きの小径の孔を加工することが可能になり、内燃機関の燃料噴射ノズル、塗料、薬品のスプレイガンなどの改良に利用される可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施例の全体構成の説明図。
【図２】図１の正面図。
【図３】電極ヘッドが傾斜された正面図。
【図４】（ａ）遊星方式の原理図、式「数２」の説明図。（ｂ）遊星方式の原理図、式「数３」の説明図。
【図５】（ａ）、（ｂ）非円形断面の場合、式「数４」の説明図。
【図６】（ａ）、（ｂ）加工物の取り付け姿勢方向とＺ軸の関係および加工物上面（Ｌ）を示す図。
【図７】（ａ）軸サーボ（Ｕ）方向と、横サーボ（Ｖ）方向（電極の側面方向）の説明図。（ｂ）傾斜角αと電極径ｄの説明図。
【図８】電極傾斜の影響の説明図。
【符号の説明】
【００４４】
１  加工物    
１ａ  ノズル孔        
２  Ｃ軸テーブル
３  Ｘステージ                  
４  Ｙステージ                      
５  Ｚ軸ヘッド                    
６  電極ヘッド                        
７  電極送り装置                  
８  ボス
８ａ  傾斜機構                      
８ｂ  作動桿                          
９  電極の振れ止めガイド 
１０  電極                          
１１  冶具 
１２  コラム                        
１３  ベース                      
１４  傾斜機構モータ                  
１５  電極送りモータ            
１６  電極送りローラセット                
（Ｕ）軸送り方向                  
（Ｖ）横サーボ方向
（Ｓ）ボスの中心の高さ                                            
（Ｌ）加工物の上面または指定孔開始点の高さ  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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